智能单摆测量仪的研制

　　单摆实验是大中院校普遍开设的研究单摆运动规律、测量重力加速度的物理基础实验,目前大多数实验室还用秒表测量单摆周期,人工数周期。用秒表计时很难保证与单摆同步,误差较大;人工数40或50个周期常常疲劳走神而出错,因而准确度差,这种传统的实验手段不利于素质教育和现代教学要求,应该进行现代化改革。

　　本智能单摆测量仪,也可做毫秒计,采用微电脑控制、计时,用红外光电管计数、进口字符液晶屏显示,配上单摆实验架,能测量N个周期时间(N可键盘设定),自动计算平均周期,可根据需要从键盘输入单摆摆长,自动计算重力加速度,具有测量速度快、精度高、使用方便、便于创新设计性实验研究等优点。

　　1　性能特点简介

　　(1)测量周期数为1～99;

　　(2)最大计时为999.999 s,精度为1 ms;

　　(3)设定摆长为0～650.00 cm;

　　(4)重力加速度测量误差小于0.5%(与当地重力加速度标准值比较);

　　(5)红外光电管计数代替可见光光电门,体积小,寿命长,抗干扰能力强;

　　(6)红外光电管用铝合金支架固定,轻巧,美观,移动方便;

　　(7)该测量仪体积小(120 mm×150 mm×50 mm),外形美观;

　　(8)可在其他实验中做毫秒计;

　　(9)价格低廉。

　　2　硬件组成及工作原理

　　智能单摆测量仪由89C2051单片机、单摆红外光电检测、键盘、液晶显示、电源组成,如图1所示。

　　89C2051单片机带有2 000字节flash ROM, 128字节RAM,指令与MCS-51完全兼容,20个引脚,体积小,程序容量适中,特别适合小智能仪表的控制和数据处理[1]。

　　2.1　单摆光电检测及计时原理

　　如图2所示,红外发射管D1和红外接收管D2对中固定在支架上,单摆带动挡光片在D1,D2之间来回摆动。

　　D2没被单摆挡光时,D2工作电流大,R3压降大,D2输出低电平;D2被单摆挡光时,D2工作电流小,R3压降小,D2输出高电平,经反向型施米特触发器整形后,得到负向的矩形脉冲,输到89C2051单片机的计数/定时器T0输入端,使T0中断。单摆每对D2挡光一次,T0中断一次,一个周期T0要中断2次。只要记录T0的中断次数,就能测出单摆周期数N。单摆周期测量原理如下:在第一次T0中断服务程序中,启动单片机定时器T1对单摆计时。若测量N个单摆周期时间,则在T0的第2N+ 1次中断(含1次启动中断)时,停止T1计时,读出总时间,再除以N,就得到平均周期T。

　　在单摆实验中,为了得到较大的红外光电对管的工作距离(大于20 cm),红外发射管D1的工作电流要大,影响其寿命。为此用单片机P1.7通过晶体管T1对D1的电源进行控制,平时P1.7输出高电平,T1截止,D1不工作;只有在测周期时,P1.7才输出低电平,T1导通,D1才工作,因而大大延长了D1的寿命,降低了散热要求,有利于仪表小型化。